Приложение В (обязательное). Требования, относящиеся к методу В. Распределение света в ближнем поле

Приложение В
(обязательное)

Требования,
относящиеся к методу В. Распределение света в ближнем поле

В.1 Вводные замечания

Настоящий метод испытания применяют для определения геометрических характеристик многомодовых ОВ класса А и одномодовых ОВ классов В и С путем анализа плотности оптической мощности как функции положения на поперечном сечении торцевой поверхности испытуемого ОВ. Применяют две методики, анализирующие изображение ближнего поля торцевой поверхности ОВ:

- методику анализа видеоизображения в градациях серого цвета, при использовании которой для анализа двухмерного изображения используют видеокамеру;

- методику механического сканирования, при использовании которой для анализа изображения требуется одно или более одного одномерного сканирования.

Методика анализа видеоизображения с градацией серого цвета является эталонным методом испытания RTM.

Одномерное механическое сканирование часто применяют для измерения диаметра сердцевины многомодовых ОВ класса А. Как указано в разделе 5, одномерные сканирования имеют ограничения, когда они используются сами по себе. Многократные одномерные сканирования можно объединить посредством методик прореживания данных, указанных в приложениях С и D с целью преодоления этих ограничений за счет дополнительного времени проведения измерений и повышенной сложности. В типовых случаях одномерное сканирование в ближнем поле применяют для определения диаметра многомодовых ОВ класса А.

В.2 Испытательное оборудование

В.2.1 Типовая схема

На рисунках В.1 и В.2 приведены схемы испытательного оборудования для двух методик.

Рисунок В.1 - Типовая схема методики шкалы серого цвета

В.2.2 Источники света

В.2.2.1 Общие положения

Используют соответствующие некогерентные источники света для освещения сердцевины и оболочки, настраиваемые и стабильные по интенсивности в течение времени, достаточного для проведения измерения.

В.2.2.2 Требования к освещению сердцевины

При отсутствии иных указаний геометрические параметры сердцевины многомодовых ОВ класса А определяют, используя некогерентное освещение, которое в угловом и пространственном измерениях переполняет сердцевину на рабочей длине волны ОВ. Центр сердцевины одномодовых ОВ классов В и С устанавливают, используя данную методику, но для определения диаметра сердцевины и крутости ее не используют. Следовательно, требования к освещенности сердцевины ОВ классов В и С являются менее строгими: длина волны может иметь любое значение, соответствующее для конструкции испытательного устройства, и должна обеспечивать переполнение одной или нескольких мод, распространяющихся в ОВ при данном значении длины волны. Существует негласное допущение: центр сердцевины ОВ классов В и С с изменением длины волны меняется незначительно, даже если в сердцевине распространяется более одной группы мод.

Рисунок В.2 - Типовая схема методики механического сканирования

Если в технических требованиях на конкретное изделие не указано иное, геометрические характеристики многомодовых ОВ категорий А1, А2 и A3 определяют при длине волны излучения, освещающего ОВ, равной (850 10) нм. Если в технических требованиях на конкретное изделие не указано иное, геометрические характеристики ОВ категории А4 определяют при длине волны излучения, освещающего ОВ, равной (650 10) нм. Ширина полосы пропускания по уровню половины максимума (интенсивности) источников освещения сердцевины ОВ класса А должна быть в диапазоне от 10 до 50 нм.

На момент написания настоящего стандарта технические требования для всех ОВ класса А были пересмотрены, в т. ч. с целью включения значения центральной длины, используемого для определения геометрических параметров сердцевины. После опубликования технических требований, включающих данную информацию, предыдущий параграф не следует принимать во внимание, а вместо него следует использовать информацию из технических требований на конкретное изделие.

В.2.2.3 Требования к освещению оболочки

Оболочка может быть освещена в темном поле при помощи света, отражающегося от сколотой торцевой поверхности, оставляя неосвещенной среду, окружающую оболочку, или наоборот, окружающая среда может быть освещена, при этом оболочка будет неосвещенной. Значение длины волны освещающего излучения неважно, но его отношение к длине волны источника, освещающего сердцевину, должно быть рассмотрено касательно дисперсии увеличивающей оптики: выбор подобной длины волны или длины волны, находящейся внутри допустимого диапазона, для выбранной оптики позволяет не допустить расфокусировки (изображения) сердцевины, в то время как оболочка находится в фокусе.

Если данный метод используют только для определения диаметра сердцевины ОВ класса А, то, как правило, во время измерения оболочка не освещается. Для методики анализа видеоизображения в градациях серого цвета также допустимо, чтобы диаметр сердцевины и некруглость могли быть определены с использованием одного изображения или сканирования при неосвещенной оболочке, а другое изображение с освещенной оболочкой применено для определения всех остальных характеристик.

В.2.3 Крепление ОВ и оборудование позиционирования

Для поддержания входного и выходного концов образца используют достаточно устойчивое устройство, например вакуумный держатель. Это поддерживающее устройство устанавливают на устройстве регулировки положения таким образом, чтобы конец волокна мог быть точно размещен во входном луче и выходной траектории. Возможна установка поддерживающего устройства ОВ на трехмерный стол поступательного перемещения (такие столы могут выполнять роль сканеров при практической реализации метода механического сканирования).

В.2.4 Фильтр оболочечных мод

Если не установлено иное, используют устройства, которые фильтруют свет моды оболочки образца достаточно близко от входного и выходного концов волокна. Если испытуемое ОВ имеет первичное покрытие с показателем преломления выше, чем у стекла, это покрытие ведет себя как фильтр оболочечных мод.

В.2.5 Детектирование

В.2.5.1 Общие положения

При применении обеих методик необходимо, чтобы система детектирования была настолько линейной, чтобы обеспечивалась необходимая точность измерений. PIN-фотодиоды в фотогальваническом режиме и датчики современных камер будут удовлетворять этому требованию, но нужно быть внимательными при их выборе и использовании. Высокие уровни освещения, а также применение низкокачественных электронных устройств, обеспечивающих защиту от помех, и систем цифровой обработки могут привести к ухудшению характеристик этих детекторов.

В.2.5.2 Детектор с градацией серого цвета

В методике анализа видеоизображения в градациях серого цвета для обнаружения увеличенного изображения ближнего поля на выходе ОВ используют видеокамеру. Устройство оцифровки видеоизображения проводит оцифровку изображения для проведения анализа (часто камера и устройство оцифровки видеоизображения объединены в один элемент). Оцифрованный выходной сигнал представляет собой массив пикселей интенсивности в ближнем поле I (r, с), состоящий из N _Row строк и N _Col столбцов. Для данной цели могут использоваться как ПЗС (CCD), так и КМОП (CMOS) датчики изображения. Эффективный размер пикселя должен удовлетворять уравнению (В.1).

Точность измерения может ухудшаться вследствие систематических ошибок в системе детектирования. Примерами таких ошибок могут служить геометрическая однородность результирующего цифрового изображения или линейность детектора/устройства оцифровки по отношению к изменению оптической интенсивности. Необходимо учитывать эти и другие потенциальные ошибки; в МЭК 61745 приведена методология для определения величины этих ошибок.

В.2.5.3 Детектор и сканер, используемые при механическом сканировании

Детектор, используемый при механическом сканировании, представляет собой детектор с фиксированной апертурой и сканирующей системой для получения значения интенсивности изображения как функции от положения. Механический сканер позволяет сканировать сфокусированное изображение диаграммы ближнего поля ОВ; сканер калибруют таким образом, чтобы было известно относительное радиальное положение. Если в составе испытательного оборудования используют механический сканер с предельно высоким разрешением, возможно перемещение ОВ или эквивалентное совместное перемещение системы отображения и детектора. При другом подходе, допускающем использование механического сканера с низким разрешением, сканируют детектор в плоскости изображения. В любом случае механический сканер должен иметь достаточно линейную характеристику, удовлетворяющую требованиям к точности измерения.

Эффективная апертура детектора должна удовлетворять уравнению (В.1). Детектор с малой активной площадью (т.е. детектор диаметром 20 мкм, используемый совместно с системой отображения, имеющей 40-кратное увеличение) может удовлетворить этому требованию. Апертура может быть ограничена применением ОВ с сердцевиной достаточно малого диаметра, чей входной конец находится в фокусе плоскости изображения, а выходной конец соединен с детектором. Для этой цели может также применяться механическое точечное отверстие (в этом случае для отображения обратной стороны точечного отверстия на оптический детектор может быть задействована передающая оптика).

В.2.6 Увеличительная оптика

В.2.6.1 Общая информация по оптической системе отображения

Используют соответствующую оптику, которая увеличивает выходное изображение ближнего поля образца таким образом, чтобы это увеличенное изображение могло быть должным образом просканировано. ЧА данной системы отображения должна превышать ЧА сердцевины измеряемого ОВ. ЧА системы отображения влияет на разрешающую способность измерения и, таким образом, должна соответствовать точности измерения и иметь значение не менее 0,3.

Наибольший размер пикселей при использовании методики анализа видеоизображения в градации серого цвета или размер детектора (точечного отверстия) при применении методики механического сканирования должны быть достаточно малыми в сравнении с увеличенным изображением ближнего поля и меньше граничного значения рассеяния системы в два раза, что можно представить в виде уравнения

,

(В.1)

где d - размер пикселя камеры или размер детектора (точечного отверстия), мкм;

М - приблизительное увеличение оптической системы;

- (наименьшая) испытательная длина волны, мкм;

NA - ЧА сердцевины ОВ для измерений диаметра сердцевины только ОВ класса А или ЧА объектива камеры для остальных случаев (при условии, что источник освещения оболочки полностью заполняет оптическую систему по ЧА).

Оптическую систему калибруют согласованно со сканирующей системой таким образом, чтобы было известно увеличение системы. Информация относительно увеличения отображающей оптики (указана на боковой стороне объектива микроскопа) не является значимой, так как система сканирования (расстояние между пикселями в микроскопе с градацией серого цвета или размер шага механического сканера) также часть увеличения системы и, таким образом, должна быть откалибрована.

В.2.6.2 Замечания по методике анализа видеоизображения в градациях серого цвета

При использовании методики анализа видеоизображения в градациях серого цвета выбирают такое увеличение, при котором площадь сенсора видеокамеры достаточно заполнена изображением измеряемого объекта (т.е. оболочки ОВ, когда измерения проводят на оболочке и сердцевине, или сердцевины ОВ, когда измеряют только сердцевину). Эффективный размер пикселя должен удовлетворять требованиям уравнения (В.1).

Оси Х и Y должны быть откалиброваны, и эти калибровки должны быть независимыми. В МЭК 61745 приведен метод калибровки. Результирующие калибровочные коэффициенты S _X и S _Y выражаются в микрометре на пиксель.

В.2.6.3 Замечания по методике механического сканирования

При использовании методики механического сканирования выбирают увеличение отображающей системы и размер апертуры детектора в соответствии с уравнением (В.1). Разрешение сканера (минимальный размер шага) должно (должен) быть не больше половины диаметра апертуры детектора.

Сканер должен быть откалиброван. Результирующий калибровочный коэффициент S _X, выраженный в микрометре на размер шага, можно получить, используя сопоставимый калибровочный эталон, например стеклянную хромированную линейку или точечную сетку. Если применяют обе оси сканера, тогда их калибруют и получают два независимых коэффициента S _X и S _Y.

В.2.7 Видеомонитор (методика анализа видеоизображения в градациях серого цвета)

Для визуального воспроизведения полученного изображения применяют видеомонитор. Экран монитора обычно показывает шаблонный символ, например перекрестие, для помощи оператору при центровке изображения образца. Для выравнивания и/или фокусировки изображения может быть использован компьютер.

В.2.8 Компьютер

Компьютер используют для получения данных, проведения анализа и подготовки отчетов.

В.3 Отбор и подготовка образцов

Образцы должны иметь чистые, гладкие и перпендикулярные оси ОВ торцевые поверхности. Как правило, при проведении измерений на оболочке угол между торцевой поверхностью и нормалью к оси волокна должен быть менее 1°. С целью обеспечения правильности и/или точности измерений следует избегать повреждений торцевой поверхности, а также резких перегибов ОВ.

Способ укладки коротких длин (2 м) ОВ категории А1 влияет на результат измерения диаметра сердцевины. Такое ОВ укладывают так, чтобы оно образовывало один изгиб круглой формы с радиусом не менее 140 мм. Возможен вариант укладки, когда изгиб круглой формы с радиусом не менее 140 мм разбивают на сегменты, при этом суммарный изгиб должен составлять 360°. Допускаются другие изгибы большего радиуса для удобства крепления ОВ в измерительном оборудовании.

Эталонная испытательная длина для ОВ категории А1 с улучшенными характеристиками потерь при макроизгибах обычно составляет 100 м. Часто такие большие длины наматывают на катушки, имеющие радиус менее 140 мм. Допускается применять такие катушки при условии, что их использование не влияет на результат измерения диаметра сердцевины.

Если не указано иное в технических требованиях на конкретное изделие, длина образца для всех многомодовых ОВ класса А должна быть (2 0,2) м, за исключением нечувствительных к изгибам разновидностей ОВ подкатегорий А1а: A1a.1b, A1a.2b, А1а.3b. Для этих ОВ эталонная испытательная длина, используемая для разрешения спорных ситуаций, должна быть (100 2) м, но при регулярно проводимых измерениях допускаются более короткие отрезки. Когда длину, отличную от 2 м, устанавливают в качестве эталонной, то существует возможность отображения измерения на образце длиной 2 м на эталонную длину. Пояснения к процессу отображения приведены в приложении F.

На момент написания настоящего стандарта технические требования для всех ОВ класса А пересмотрены, в т. ч. с целью включения значения эталонной длины, используемого для определения геометрических параметров сердцевины. После опубликования технических требований, включающих данную информацию, предыдущий абзац не следует принимать во внимание, а вместо него следует использовать информацию из технических требований на конкретное изделие.

Для одномодовых ОВ классов В и С ограничения по длине образца не нормированы. Как правило, в качестве образца используют отрезок длиной 2 м.

В.4 Порядок проведения измерения

В.4.1 Калибровка оборудования

Для калибровки оборудования следует использовать эталоны, сопоставимые с эталонами национальной лаборатории стандартов.

В.4.2 Измерения

В.4.2.1 Измерения, проводимые по методике анализа видеосигнала с градацией серого цвета

Входной конец образца ОВ размещают таким образом, чтобы обеспечивались установленные условия возбуждения. Фокусируют изображение ближнего поля выходного конца и центрируют его на камере, применяя либо автоматические средства, либо монитор посредством ручного управления. Настраивают источники освещения сердцевины и оболочки для достижения оптимального отношения сигнал/шум, избегая насыщения пикселей. Регистрируют оцифрованные видеоданные изображения в виде массива пикселей значений интенсивности I. Пространственные характеристики для осей X и Y, и эквивалентны калибровочным коэффициентам S _X и S _Y, используемым при увеличении изображения.

В.4.2.2 Измерения, проводимые по методике механического сканирования

В.4.2.2.1 Одномерное сканирование

Образец подготавливают и устанавливают, как указано выше. Выходной конец размещают таким образом, чтобы была возможность сканирования увеличенного изображения, - это может включать фокусирование изображения выходного конца на плоскости сканирующей апертуры и центрирование изображения таким образом, чтобы центр сердцевины находился в ожидаемом положении. Настраивают источник(и) освещения на оптимальное соотношение сигнал/шум. Часто механическое сканирование применяют только для определения геометрических параметров ОВ категории А1. Используют только источник освещения сердцевины, и оболочка в этом случае не освещается.

Сканируют изображение ближнего поля и регистрируют значения интенсивности I и соответствующие им положения х. На рисунке В.3 приведен пример типового одномерного сканирования ближнего поля сердцевины ОВ категории А1.

Рисунок В.3 - Типовое одномерное сканирование ближнего поля сердцевины ОВ категории А1

В.4.2.2.2 Комбинации одномерных сканирований для массива углов

Проводят сканирование, как указано в В.4.2.2.1, для множества углов в одной системе координат. Для сканирования сердцевины многомодового ОВ или сканирования, включающего оболочку, каждое сканирование должно проходить через центр сердцевины (или оболочки), что может означать перенастройку сканера для каждой ориентации.

В.4.2.2.3 Растровое сканирование

Проводят сканирование, как указано в В.4.2.2.1 для набора линий, перпендикулярных оси, отсканированной в соответствии с В.4.2.2.1, для растровых положений, отмеченных на оси у. На рисунке В.4 приведены типовые данные интенсивности, полученные при растровом сканировании ближнего поля ОВ категории А1.

Рисунок В.4 - Типовые данные интенсивности, полученные при растровом сканировании ближнего поля ОВ категории А1

В.5 Расчеты

В приложениях С, D и Е приведен порядок прореживания данных интенсивности в ближнем поле для определения геометрических параметров ОВ.

В.6 Результаты

В дополнение к результатам, указанным в разделе 11, в зависимости от установленных технических требований по запросу должна быть представлена информация о типе детектора и размере апертуры (только методика одного сканирования ближнего поля).